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À la fin du XVIIe siècle, Sir Isaac Newton, prolongeant les idées de Galilée, proposa que les perturbations gravitationnelles se propageaient plus rapidement que tout autre signal dans le cosmos. En 1915, Albert Einstein a contesté ce point de vue avec sa théorie de la relativité générale, affirmant qu'aucune information ne peut voyager plus vite que la lumière, y compris les ondes gravitationnelles.
L'importance des ondes gravitationnelles :
Le 14 septembre 2015, les premières ondes gravitationnelles directement mesurées sont arrivées sur Terre simultanément avec la lumière issue de la fusion de deux trous noirs situés à environ 1,3 milliard d’années-lumière. Cette observation, capturée par LIGO aux États-Unis et Virgo en Europe, et corroborée par environ 70 télescopes terrestres et spatiaux, a validé la prédiction d'Einstein et a inauguré une nouvelle branche de l'astronomie.
Les deux sites LIGO – Livingston, Louisiane et Hanford, Washington – ont la forme d’un « L » au sol, avec des bras de 2½ milles abritant des lasers, des séparateurs de faisceaux, des miroirs et des détecteurs. Un faisceau laser est divisé, envoyé dans chaque bras, réfléchi et recombiné. Une onde gravitationnelle qui passe étire un bras tout en serrant l’autre, créant une infime différence dans les temps de retour des deux faisceaux. Ce signal différentiel est ce que le photodétecteur enregistre.
Des détections simultanées sur les deux sites, quoique avec un léger décalage, donnent aux astronomes deux points de données spatialement séparés. En triangulant ces signaux, les scientifiques peuvent localiser la position de la source dans le ciel et mesurer la forme d'onde avec des détails exquis.
La relativité d’Einstein montre que les changements dans un champ gravitationnel se propagent à la vitesse de la lumière, un peu comme les ondulations sur un étang. Lorsque deux corps massifs, tels que des trous noirs, fusionnent, leur mouvement excite l’espace-temps lui-même, produisant des oscillations qui emportent l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Contrairement à la lumière, ces ondes peuvent voyager à travers la matière pratiquement sans entrave, révélant des informations sur les événements les plus violents de l'univers.
Depuis 2015, au moins quatre fusions binaires de trous noirs ont été enregistrées, chacune permettant des observations simultanées de signaux gravitationnels et électromagnétiques. Lorsque trois observatoires ou plus détectent un signal, les astronomes peuvent (1) localiser l'événement avec une grande précision et (2) tester la forme d'onde par rapport aux prédictions de la relativité générale. Bien que les ondes n'induisent que de minuscules distorsions dans l'espace-temps, la sensibilité des détecteurs permet leur mesure avec une précision sans précédent.
Les détections de 2015 ont eu lieu juste avant le 100e anniversaire de la présentation de la relativité générale par Einstein à l’Académie royale des sciences de Prusse. À mesure que l'astronomie des ondes gravitationnelles mûrit, elle promet de débloquer de nouvelles physiques, de remettre en question les théories existantes et peut-être de stimuler des innovations analogues à celles nées de la découverte de nouvelles bandes de fréquences électromagnétiques :les rayons X, les ondes radio et au-delà.